Compito di Fisica Generale di Ingegneria CIVILE 11 gennaio 2010. Esercizio 1: Un cubo di massa M = 3 kg si muove liberamente con velocità v0 nel verso positivo dell' asse x orizzontale scivolando su un piano orizzontale privo di attrito. Un cubetto di massa m = 0.5 kg è appoggiato sul cubo come mostrato in figura e fra i due c'è un coefficiente di attrito statico pari a µs = 0.3. Ad un dato istante t = 0 il cubo inizia a toccare la molla di costante elastica K = 100 N/m inizialmente a riposo. m v0 K M x 1.1- Si dica quale è il massimo valore vmax che deve avere la velocità v0 perchè il cubetto non scivoli mai sul cubo. ( 5 punti) 1.2 - Supponendo, ora, che v0 = 1 m/s ( v0 > vmax), si dica a quale istante t = t0 il cubetto inizia a scivolare sul cubo. (5 punti) Esercizio 2 - Su un cilidretto di raggio R = 1 cm e massa m = 0.3 kg è avvolto un filo inestensibile di lunghezza L = 1m. Un'estremità del filo è fissata sulla superfice del cilindretto mentre l'altra estremità è fissata al soffitto. Inizialmente il filo è totalmente avvolto sul cilindretto e il cilindretto viene tenuto fermo. Al tempo t = 0 il cilindretto viene lasciato libero di cadere. g 2.1 - Si dica quale è la velocità massima raggiunta dal cindretto nella caduta ( si trascuri il piccolo tratto di filo inizialmente srotolato). ( 4 punti) 2.2 - Arrivato alla fine della corsa, il cilindretto rimbalza indietro elasticamente. Si dica a quale tempo il cilindretto torna nella posizione iniziale. (4 punti) 2.3- Supponendo che l'intervallo di tempo durante il quale avviene il "rimbalzo" sia pari a ∆t = 0.001 s, si dica quale è la tensione media che deve esercitare il filo durante questo intervallo. ( 2 punti) Esercizio 3- Un condensatore piano è costituito da due armature quadrate di lato L = 10 cm perfettamente conduttrici. Se indichiamo con x l'asse perpendicolare alle armature, la prima armatura si trova in x = 0 e la seconda in x = d = 1 mm. Lo spazio interno fra le armature è riempito completamente con un conduttore la cui conducibilità elettrica dipende da x secondo la legge σ = σ0 + k x, dove σ0 = 10 - 6 Ω- 1m-1 e k = 10 - 3 Ω-1 m- 2. Una d.d.p. V = 3 V è applicata fra le armature. x E y 3.1 - Sapendo che il campo elettrico presente in x = 0 è pari ad E0, si calcoli il campo presente a regime negli altri punti in funzione di E0. (3 punti) 3.2 - Si trovi il valore di E0. ( 4 punti) 3.3 - Si calcoli il valore della carica elettrica Q che si accumula nel mezzo presente fra le armature in condizioni di regime ( per questa domanda si assuma che la costante dielettrica del mezzo sia quella del vuoto (ε0 = 8.854 10 -12 F/m) e che, quindi, gli effetti dielettrici siano trascurabili) ( 3 punti) ATTENZIONE: LE RISPOSTE DEVONO ESSERE GIUSTIFICATE INDICANDO I PASSAGGI LOGICI ESSENZIALI UTILIZZATI PER ARRIVARE AL RISULTATO FINALE. RISPOSTE SENZA ALCUNA GIUSTIFICAZIONE, ANCHE SE CORRETTE, NON SARANNO PRESE IN CONSIDERAZIONE. Soluzione Esercizio 1- 1.1- Se il cubetto resta fermo rispetto al cubo, allora il sistema, dopo il tempo t = 0, si comporta come un unico corpo di massa MT= 3.5 kg collegato ad una molla di costante elastica K. Di conseguenza, il sistema tende a oscillare armonicamente con pulsazione: K ω= = 5.35 rad/s (1) MT Inizialmente la massa rallenta fino a fermarsi quando raggiunge il punto di massima compressione ∆xmax della molla che s ottiene imponendo la conservazione dell'energia meccanica. v MT 1 1 2 ∆x max = v 0 = 0 M T v02 = K∆x max (2) K 2 2 ω In tale posizione l'accelerazione del cubetto è massima e pari in modulo a K∆xmax/MT = ωv0. Perchè il cubetto possa avere questa accelerazione è necessari che la forza di attrito aagente su di esso possa raggiungere il valore: Fa = ma max = mωv 0 (3) D'altra parte, la massima forza di attrito è F = µs m g, dunque Fa < F solo se µ g v0 ≤ v max = s = 0.55 m/s (4) ⇒ ω 1.2 - La velocità in un moto armonico ha la forma generale: v = A cos(ωt + ϕ ) (5) Nel presente caso, la velocità è massima al tempo t = 0, dunque ϕ = 0. Inoltre, poichè v (t =0) = v0, si deduce A = v0. Dunque: v = v0 cos(ωt ) (6) Il modulo dell'accelerazione ad ogni istante ( finchè il cubo grande resta attaccato alla molla) è: dv (7) | a |= = ω v0 sin ωt dt Il cubetto inizia a scivolare quando il modulo della forza di attrito necessaria per far accelerare il cubetto con l'accelerazione (7) supera il massimo valore F = µs m g, cioè al tempo t0 in cui : µ g 1 v 1 ωv0 sin ωt 0 = µ s g t 0 = arcsin s = arcsin max = 0.109 s. (8) ω ωv 0 ω v0 Soluzione Esercizio 2. 2.1- Prendiamo come 0 dell'energia potenziale la posizione iniziale del centro di massa. Poichè il cilindro è inizialmente fermo, l'energia meccanica iniziale è Ei = 0 (1) La massima velocità verrà raggiunta quando il filo si è totalmente srotolato, cioè quando il centro di massa è sceso di una lungheza pari a L ( si trascura il tratto di filo inizialmente srotolato). Dunque, l'energia meccanica finale è 1 2 1 2 E f = mv max + Iω max − mgL (2) 2 2 Dove I = mR2/2 è il momento di inerzia del cilindro rispetto al C.M. Per la conservazione dell'energia meccanica, Ef = Ei =0. Inoltre, il moto del cilindro è di rotolamento e, quindi v = ω R ad ogni istante. Ne consegue, dopo semplici passaggi algebrici, 4 gL 3 2 v max = E f = mv max − mgL =3.61 m/s (3) 4 3 2.2- Si applica al cilindro la I e II equazione cardinale della dinamica considerando come polo il C.M. Dunque: mg − T = ma (4) mRa TR = Iα = (5) 2 ⇒ ⇒ dove T = tensione del filo. Ricavando T dalla (5) e sostituendo nella (4) si trova: 2 a= g (6) 3 Dunque, il sistema si muove di moto uniformemente accellerato e raggiunge il punto di massimo allungamento del filo al tempo t0 tale che: 1 2L 3L L = at 02 t0 = = (7) 2 a g Dopodichè il cilindro rimbalza elasticamente e, dopo un intervallo di tempo ancora pari a t0, ritorna nella posizione iniziale. Il tempo totale è, perciò: 3L ∆t = 2t 0 = 2 = 1.11 s (8) g 2.3- La quantità di moto del cilindretto subito prima del rimbalzo è p = mvmax k, dove k è il versore diretto nel verso della gravità. Dopo il rimbalzo, la q. m. cambia segno, dunque la tensione media è 2mvmax ∆p T = =− k = 2.17 103 N k (9) ∆t ∆t Soluzione esercizio 3. 3.1- A regime, la densità di corrente J è costante in ogni punto della piastra conduttrice. Poichè in x = 0 il campo è pari a E0 e la conducibilità è σ(0) = σ0, la densità corrente è J = σ0E0. Dunque, in ogni punto vale la relazione: σ E σ E σ ( x) E ( x) = σ 0 E 0 E ( x) = 0 0 = 0 0 (1) σ ( x) σ 0 + kx 3.2 - Poichè è noto il valore della ddp V fra le armature, il valore incognito di E0 si ottiene utilizzando la relazione: σ + kd d d σ E σ E 0 1 V = ∫ E ( x)dx = ∫ 0 0 dx = 0 0 ∫ dy (2) k σ 0 + kx σ0 y 0 0 ⇒ ⇒ dove abbiamo fatto la sostituzione y = σ0 + kx. La soluzione dell'integrale (2) è σ E σ + kd σ 0 E 0 kV E0 = V = 0 0 ln 0 = ln 2 = 4.33 103 V/m (3) k σ0 k σ 0 ln 2 ⇒ 3.3 - Se si applica il teorema di Gauss a tutto il volume compreso fra le armature si trova: [E (d ) − E (0)]L2 = Q (4) ε0 dove E (d ) = σ 0 E0 E = 0 σ 0 + kd 2 e Sostituendo le (5) nella (4) si trova 1 Q = − ε 0 E 0 L2 = 1.92 10 -10 C = 192 pC 2 E(0) = E0 (5)